單模VCSEL自混合測(cè)速、測(cè)距及三維圖像技術(shù)的研究.pdf

1、本學(xué)位論文工作是以與美國(guó)微軟公司西雅圖硬件部的國(guó)際合作為背景，圍繞單模垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)自混合測(cè)速、測(cè)距及三維圖像技術(shù)展開研究，重點(diǎn)研究多普勒測(cè)速系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)范圍和方向判別等重要參數(shù)；重點(diǎn)研究自混合測(cè)距系統(tǒng)的精度、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍等重要參數(shù)；從原理和結(jié)構(gòu)上提出一種新型的數(shù)字微反射鏡陣列器件一飛行時(shí)間(DMD-TOF)三維圖像技術(shù)，重點(diǎn)研究DMD-TOF三維圖像系統(tǒng)的光電設(shè)計(jì)方法，以及深度地圖象素?cái)?shù)量、深度測(cè)量分辨率和深

2、度測(cè)量速度等重要參數(shù)。 本論文的研究工作主要有： 1.與項(xiàng)目組成員共同完成單模VCSEL自混合多普勒測(cè)速的原理與系統(tǒng)研究；建立單模VCSEL自混合多普勒測(cè)速實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的光電信號(hào)處理電路，從理論和實(shí)驗(yàn)上研究影響測(cè)速精度和動(dòng)態(tài)范圍的主要因素。采用單模VCSEL代替普通半導(dǎo)體激光器，明顯改善了多普勒測(cè)速系統(tǒng)外腔長(zhǎng)變化的動(dòng)態(tài)范圍，提高了測(cè)速精度；采用差頻模擬鎖相技術(shù)處理多普勒信號(hào)，減小了多普勒頻率展寬及調(diào)幅包絡(luò)對(duì)測(cè)速精度

3、的影響，使測(cè)速精度達(dá)到1％，同時(shí)擴(kuò)大了頻率跟蹤范圍，使測(cè)速動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到2～1000mm/s。論文作者主要負(fù)責(zé)并完成了測(cè)速精度的研究。 2.與項(xiàng)目組成員共同完成單模VCSEL自混合測(cè)距的原理與系統(tǒng)研究；建立單模VCSEL自混合測(cè)距實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的光電信號(hào)處理電路，從理論和實(shí)驗(yàn)上研究影響測(cè)距精度、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍的主要因素。采用對(duì)單模VCSEL進(jìn)行大的激光調(diào)制頻偏，利用差頻模擬鎖相技術(shù)處理自混合拍頻信號(hào)，明顯改善了拍頻信號(hào)在拐點(diǎn)

4、處的不連續(xù)，對(duì)拍頻信號(hào)的調(diào)幅干擾和波形失真有明顯的抑制效果，提高了信噪比，使測(cè)距精度達(dá)到2mm，分辨率優(yōu)于2mm，同時(shí)使動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大到50～500mm。論文作者主要負(fù)責(zé)并完成了測(cè)距精度的研究。 3.與項(xiàng)目組成員共同提出了一種新的DMD-TOF三維圖像技術(shù)，它具有高達(dá)百萬(wàn)數(shù)量的深度地圖象素，1mm的深度測(cè)量分辨率，每秒1～10幀的深度測(cè)量速度，以及深度地圖象素與兩維圖像象素高精度對(duì)準(zhǔn)特性等優(yōu)點(diǎn)，并從器件結(jié)構(gòu)，開發(fā)工具，光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5、，以及參數(shù)分析優(yōu)化等方面進(jìn)行研究。 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括： 1.利用單模VCSEL代替普通多模半導(dǎo)體激光器進(jìn)行自混合多普勒測(cè)速，明顯改善了外腔長(zhǎng)變化的動(dòng)態(tài)范圍；利用差頻模擬鎖相技術(shù)處理多普勒信號(hào)，減小了多普勒頻率展寬及調(diào)幅包絡(luò)對(duì)測(cè)速精度的影響，同時(shí)擴(kuò)大了頻率跟蹤范圍，提高了測(cè)速精度和動(dòng)態(tài)范圍。 2.利用對(duì)單模VCSEL進(jìn)行大的激光調(diào)制頻偏，利用差頻模擬鎖相技術(shù)處理自混合信號(hào)，明顯改善了自混合拍頻信號(hào)在拐點(diǎn)處的不

6、連續(xù)，同時(shí)對(duì)信號(hào)波形的調(diào)幅干擾和波形失真有明顯抑制效果，明顯提高拍頻信號(hào)的信噪比，提高了測(cè)距精度、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。 3.從原理和結(jié)構(gòu)上提出了一種新的DMD-TOF三維圖像技術(shù)，應(yīng)用光學(xué)投影器件DMD形成1024×1280時(shí)分高頻幅度調(diào)制光的深度地圖象素投影，利用TOF測(cè)距方法和光電信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)數(shù)量深度地圖象素高分辨率高速采樣的深度測(cè)量；應(yīng)用兩維CCD/CMOS圖像系統(tǒng)與DMD光學(xué)投影系統(tǒng)共用一組光學(xué)透鏡，實(shí)現(xiàn)兩維圖像象